Convergente evolutie in het genomics-tijdperk: nieuwe inzichten en richtingen

Convergente evolutie – waarbij verschillende lijnen onafhankelijk van elkaar vergelijkbare eigenschappen ontwikkelen – heeft evolutionaire biologen eeuwenlang gefascineerd, voor een groot deel omdat convergente evolutie vaak wordt gezien als een zichtbare manifestatie van de kracht van natuurlijke selectie. Wat zou intuïtief een verklaring kunnen zijn voor het convergerende echolocatievermogen bij vleermuizen en tandwalvissen, behalve natuurlijke selectie als reactie op het foerageren en jagen in omgevingen met minimale zichtbaarheid? Vele andere voorbeelden van fenotypische convergentie – zoals de lichaamsbouw zonder ledematen bij gravende soorten, de resistentie tegen geneesmiddelen bij ziekteverwekkers, en antivrieseiwitten bij arctische en antarctische vissen – hebben soortgelijke intuïtieve verklaringen als het resultaat van aanpassing aan gedeelde omgevingen. Convergente evolutie kan dus dienen als een waardevolle proxy voor herhaalde experimenten in de evolutie, en begrijpen hoe convergente eigenschappen evolueren, vooral op moleculair niveau, heeft het potentieel om algemene regels over aanpassing te informeren. In het afgelopen decennium hebben goedkope, high-throughput sequencing een tijdperk ingeluid van wijdverspreide genoomsequencing in zowel model- als niet-modelorganismen, waardoor enorme nieuwe gegevens beschikbaar zijn gekomen om convergentie op moleculair niveau te begrijpen. In dit speciale nummer belichten we de nieuwe inzichten die zijn voortgekomen uit de toepassing van de kracht van vergelijkende en populatie-genomica op de studie van convergentie, terwijl ook de uitdagingen die nog voor ons liggen worden belicht.

Een belangrijke impact van high-throughput sequencing is een toenemende focus op het begrijpen van de genetische onderbouwing van convergerende eigenschappen, om te testen of en onder welke voorwaarden fenotypische convergentie geassocieerd is met convergentie op genetisch niveau. Convergentie op genetisch niveau kan natuurlijk een verscheidenheid van gradaties van overeenkomst weerspiegelen, variërend van identieke mutaties die onafhankelijk van elkaar in verschillende lijnen zijn vastgesteld, tot evolutionaire veranderingen in dezelfde genen maar op verschillende plaatsen, tot veranderingen in dezelfde paden maar op verschillende genen. De waarneming van genetische convergentie in verband met een fenotypische eigenschap kan erop wijzen dat er slechts een paar haalbare of gemakkelijke genetische routes zijn om een eigenschap te evolueren als gevolg van beperkingen of mutatiebiases, of kan in plaats daarvan een rol van gedeelde genetische variatie weerspiegelen. Het ontwarren van de rol van deze factoren in adaptatie is een belangrijke motivatie geweest voor het bestuderen van de genomische basis van convergerende eigenschappen.

De opkomende trend in een verscheidenheid van vergelijkende en populatiegenomische studies is dat er in veel, maar niet alle, gevallen aanzienlijk meer convergentie op genetisch niveau is tussen populaties of soorten met convergerende fenotypen dan zou worden verwacht op grond van nulmodellen . In dit nummer breiden verschillende studies deze waarnemingen op nieuwe manieren uit. Rennison et al. analyseren gegevens van stekelbaarsjes die in veel paren van meer- en beekmilieus leven, en tonen met behulp van permutatietoetsen aan dat pieken van lokale genetische differentiatie elkaar vaker overlappen dan zou worden voorspeld, wat wijst op genetische convergentie bij de aanpassing aan aquatische milieus. Deze waarneming van genetische convergentie wordt ook ondersteund door Brown et al. , die werken aan Poecillia-soorten die zich aanpassen aan bronnen die rijk zijn aan waterstofsulfide. Bij planten (Arabidosis-soorten) die zich aanpassen aan bodems met toxische niveaus van zware metalen, tonen Preite et al. bescheiden bewijzen voor genetische convergentie en overlapping in pieken van lokale aanpassing tussen onafhankelijke sites binnen soorten, maar aanzienlijk minder convergentie tussen soorten. Rubin et al. herbekijken de vraag naar de moleculaire basis van onafhankelijke overgangen naar eusocialiteit bij bijen en tonen aan dat, hoewel er geen sterk bewijs is voor convergente veranderingen geassocieerd met de oorsprong van sociaal gedrag, uitwerkingen van eusociale complexiteit wel geassocieerd lijken te zijn met convergente veranderingen in potentiële regulatorische regio’s, wat het belang onderstreept van het overwegen van het niet-eiwitcoderende deel van het genoom in studies van convergentie. Woodhouse & Hufford bekijkt het bewijs voor convergentie op genetisch niveau in gedomesticeerde graangewassen, zowel tijdens de domesticatie als daarna tijdens de aanpassing aan verschillende teeltomgevingen. Hufford belicht zowel de omvang van de convergentie (vooral in domesticatiekenmerken) als de beperkingen die door domesticatie zelf worden opgelegd aan latere aanpassing. Tenslotte geeft Witt & Huerta-Sanchez een synthese van het bewijs voor convergente aanpassing aan levenswijzen op grote hoogte bij mensen en domesticaten, waarbij zij bewijs vinden voor zowel convergente genetische reacties als onafhankelijke reacties.

Een tweede opkomende trend is dat in die gevallen van convergente evolutie met een gedeelde genetische basis er vaak selectie optreedt op bestaande variatie. Brown et al. tonen aan dat onder onafhankelijk evoluerende populaties van vissen (Poecillia sp.) die leven in omgevingen rijk aan waterstofsulfide, er niet alleen een substantieel genomisch signaal is voor moleculaire convergentie, maar dat veel geselecteerde allelen in onafhankelijke populaties een gemeenschappelijke voorouder hebben, wat convergentie impliceert als gevolg van ofwel introgressie ofwel selectie op bestaande genetische variatie. De rol van introgressie in het vergemakkelijken van convergente evolutie wordt verder besproken door Witt & Huerta-Sanchez , die de aandacht vestigen op de observatie dat vermeend adaptieve allelen in belangrijke kandidaatgenen (zoals EPAS1) herhaaldelijk bewijzen voor introgressie vertonen. Het onderscheid maken tussen vormen van convergente evolutie (selectie op onafhankelijke mutaties, gedeelde staande variatie of geïnterogresseerde allelen), en deze te scheiden van niet-convergente evolutie (b.v. een voorouderlijke selectieve veeg) is een moeilijke uitdaging. Lee & Coop gaat dieper in op deze kwesties via een conceptueel kader gebaseerd op informatietheorie, gericht op het kwantificeren van het onafhankelijke werk van natuurlijke selectie in twee (of meer) populaties of soorten als een manier om na te denken over hoe verrassend (en dus interessant) de observatie van gedeelde genetische verandering in populaties is.

Hoewel de focus van veel studies van convergente evolutie een duidelijk adaptationistisch perspectief heeft, kan beperking ook een belangrijke motor zijn van patronen van convergentie, en convergente evolutie op fenotypisch of moleculair niveau hoeft niet altijd herhaalde selectie naar hetzelfde optimum weer te geven. Als variatiebronnen bevooroordeeld zijn en slechts een beperkt aantal veranderingen toelaten, kunnen ver van elkaar gelegen soorten gemakkelijk convergerende eigenschappen ontwikkelen door niet-adaptieve processen. Dergelijke beperkingen zijn welbekend in de vorm van ontwikkelingsbeperkingen (b.v. kanalisatie) en/of genetische beperkingen (b.v. schadelijke pleiotrope effecten). Mutatiebeperkingen kunnen ook een belangrijke rol spelen bij moleculaire convergentie: Storz et al. tonen aan dat de hoge mutatiesnelheid op CpG-dinucleotiden ertoe leidt dat deze bij voorkeur bijdragen tot de convergente toename van de zuurstofaffiniteit in hemoglobine bij vogelsoorten die op grote hoogte leven. Zoals Yang et al. melden, kan negatieve pleiotropie ook bijdragen tot het beperken van de mogelijke evolutionaire paden naar een nieuw fenotype, en aldus convergentie op genetisch niveau bevorderen. Zij tonen aan dat de resistentie tegen cardenoliden bij Orthoptera voorspelbaar is op basis van resultaten van andere insectenorden, grotendeels als gevolg van het beperkte aantal mogelijke substituties in de α-subeenheid van Na+,K+-ATPase die bijdragen tot ongevoeligheid zonder andere fenotypen te verstoren. In de andere richting kunnen epistasis en genetische achtergrondeffecten de moleculaire convergentie tussen verschillende soorten beperken, aangezien de fenotypische effecten van specifieke mutaties afhangen van de genetische achtergrond. Een duidelijk voorbeeld hiervan is het gebrek aan aminozuurconvergentie bij sommige soorten vogels van grote hoogte. Tenslotte kan de relatie tussen convergente evolutie en epistase worden benut om genetische interacties te helpen begrijpen: Fisher et al. ontwikkelen een benadering die gebruik maakt van wederzijdse informatie om mutaties te identificeren die vaker dan verwacht samen voorkomen in verschillende experimenteel geëvolueerde populaties. Een dergelijke benadering belooft genetische interacties aan het licht te brengen die met andere experimentele benaderingen niet zouden kunnen worden gedetecteerd.

In dit nummer vinden we ook bijdragen die dieper ingaan op bestaande uitdagingen en mogelijke wegen voorwaarts voor het bestuderen van convergente evolutie. Verschillende auteurs belichten gebieden waar een dieper begrip van het fenotype in convergente fenotypes belangrijk is. Lamichhaney et al. pleiten voor het belang van kennis van de natuurlijke historie bij de studie van de genomica van convergente fenotypes, en benadrukken de noodzaak van sterke samenwerking tussen biologen van organismen en computationele en populatiegenetici om het volledige potentieel van het genomicatijdperk te ontsluiten om de genetische basis van convergente eigenschappen op te helderen. Dit thema wordt door Fischer et al. herhaald in de context van de convergente evolutie van gedrag, waar interdisciplinaire studies tussen neurowetenschappers, evolutiebiologen en genoomwetenschappers in toenemende mate nodig zijn om te ontwarren in hoeverre convergente gedragingen evolueren met vergelijkbare neurologische of genetische mechanismen. Tenslotte benadrukt de studie van Song et al. het belang van verder denken dan enkelvoudige organismefenotypes, door een zekere mate van convergentie aan te tonen in het darmmicrobioom van veraf verwante bloedvoedende gewervelde dieren. Naarmate ons begrip van het belang van het microbioom in gastheerfenotypes toeneemt, zullen studies (bijv. ) die kijken naar convergente evolutie van biotische interacties tussen taxa steeds belangrijker worden.

De snelle ontwikkeling van benaderingen om de genetische onderbouwing van convergente evolutie te ontdekken is stimulerend voor het veld, maar we moeten niet vergeten om potentiële verwarrende en onvoorziene variabelen in onze interpretatie van schijnbare convergentie aan te pakken. Meerdere bijdragen in dit nummer wijzen op een aantal methodologische uitdagingen die zowel voortvloeien uit technische overwegingen als uit interpretatie, en beginnen deze op te lossen. Zo belichten Mendes et al. het probleem van hemiplasie (dat ontstaat door discordantie tussen genbomen en soortenbomen) voor studies van convergente evolutie. Deze discordantie creëert een tendens om valse gevolgtrekkingen te maken van moleculaire convergentie, en zij tonen aan dat het percentage van valse positieven alarmerend hoog kan zijn. Hoewel eenvoudige remedies voor deze toestand niet zullen volstaan, zijn er veelbelovende wegen vooruit. Storz et al. presenteren bewijs dat een sterke mutatiebias leidt tot een bias in de types van convergente en adaptieve substituties die uiteindelijk tussen soorten worden vastgesteld. De implicaties hiervan zijn dat onderzoekers zich bewust moeten zijn van hoe deze en andere niet gewaardeerde mutatiebiasen onze inferentiële methoden kunnen beïnvloeden, maar ook dat er een algemene tendens zou kunnen zijn dat sterk muteerbare sites onevenredig bijdragen aan adaptieve veranderingen. Hoewel er verschillende methoden zijn gepresenteerd om convergent evoluerende aminozuursites af te leiden, worden deze in een andere bijdrage van Rey et al. tegen elkaar afgezet op basis van hun theoretische grondslagen en praktische prestaties. Zij wijzen erop dat contrasterende definities van moleculaire convergentie verwarrend kunnen zijn voor het veld en dat inferentieresultaten vaak niet kunnen worden vergeleken wanneer verschillende definities werden gebruikt. Hun studie evalueert ook het vermogen van verschillende methoden om aminozuurconvergentie af te leiden in de aanwezigheid van niet-adaptieve achtergrondconvergentie, die in een hoog tempo optreedt, eenvoudigweg vanwege het kleine aantal mogelijke moleculaire toestanden. Tenslotte, en van cruciaal belang, herinnert Lee & Coop ons aan het belang om niet alleen te vertrouwen op patronen van convergentie, maar dat er een gevolgtrekking van selectie zelf moet zijn als we convergentie willen afleiden die het gevolg is van een gedeelde selectieve druk, in plaats van convergentie die het gevolg is van niet-adaptieve processen.

Als evolutionaire biologen zijn we al lang aangetrokken tot patronen van terugkerende convergente verandering vanwege hun vermogen om evolutionaire aanpassingen aan de uitdagingen van het leven te onthullen. In de afgelopen decennia zijn we begonnen met het ontdekken van de genetische mechanismen achter deze convergerende eigenschappen, en nu, met steeds gemakkelijker toegang tot volledige genoomsequenties, is het tempo van die ontdekking stijgt snel. Om deze opwindende ontwikkelingen te weerspiegelen, belicht dit speciale nummer recente vooruitgang op dit gebied met het oog op reflectie en begeleiding voor toekomstige studies. Zo blijken vergelijkende genomische studies van populaties en soorten krachtige manieren te zijn om reeds lang bestaande vragen over het proces van adaptieve evolutie te beantwoorden. Er is steeds meer bewijs dat de convergentie van eigenschappen vaak wordt bereikt door genetische veranderingen in gedeelde paden, genen of zelfs moleculaire sites, en we zijn misschien binnenkort in staat om regels te beschrijven die de mate van genetische convergentie schatten die wordt verwacht voor specifieke soorten convergerende eigenschappen. Hoewel we natuurlijk de neiging hebben ons te concentreren op convergente aanpassingen aan gedeelde selectieve druk, mogen we de talrijke niet-convergente genetische veranderingen die soorten in staat stellen zich op hun eigen manier aan te passen, niet over het hoofd zien. Over het geheel genomen is het veld klaar om antwoorden te geven op fundamentele vragen in de evolutionaire biologie en genetica als studies van convergente evolutie weer opbloeien in het genomische tijdperk.

Gegevens toegankelijkheid

Dit artikel heeft geen aanvullende gegevens.

Bijdragen van de auteurs

T.B.S. en N.C. schreven en redigeerden het manuscript samen.

Betwistende belangen

Wij verklaren dat we geen concurrerende belangen hebben.

Financiering

N.C. werd ondersteund door NIH grant no. R01HG009299.

Footnotes

Een bijdrage van 16 aan een themanummer ‘Convergent evolution in the genomics era: new insights and directions’.